VENTILACIÓN NATURAL
2. VIENTO Y ARQUITECTURA
2.1 Comportamiento del viento alrededor de una construcción.
Cuando el viento pega contra un edificio se crea una zona de presión alta en la cara frontal, en viento rodea al edificio y crea zonas de baja presión en las caras laterales y en la cara posterior. (fig. 3) Naturalmente el aire tiende a entrar al edificio por las zonas de alta presión y a salir por las zonas de baja presión.
2.2 Comportamiento del viento dentro del edificio
1. La localización y tipo de abertura de entrada determina el patrón del flujo de aire a través de un edificio.
Al tener una abertura localizada al centro de un muro, tendremos igual presión a ambos lados de dicha abertura, por lo que el viento entrará de frente a la habitación. Si la abertura no está al centro, la presión a ambos lados del muro será desigual, lo que originará que el flujo de entrada sea diagonal con el sentido que provoca la zona de mayor presión. (fig. 4)
Todas las variaciones en los patrones del flujo de aire son causadas por la desigual presión alrededor de las aberturas de entrada, como un resultado de su localización con respecto a la superficie de muro sólido que las rodea.
El tipo de abertura también es muy importante, existen muchos tipos de ventanas en el mercado que al usarse en aberturas de entrada nos dan una gran variedad de patrones de flujo de aire. Debemos conocer las ventajas y limitaciones de los diferentes tipos de ventanas para poder emplearlos inteligentemente en cada caso particular. Por ejemplo, es necesario considerar que una tela mosquitero de nylon reduce la velocidad del viento hasta en un 30%.
2. La localización y tipo de abertura de salida tienen poca influencia en los patrones internos del flujo de aire, sin embargo entre más cambios de dirección (en el interior) sufra el aire, más se reducirá su velocidad.
3. Relación entrada-salida.
Cuando la abertura de entrada es más pequeña que la abertura de salida se incrementa la velocidad del flujo interno.
La cantidad de aire que pasa por una abertura de una habitación, depende directamente del área de abertura, la velocidad del viento, la dirección del viento con respecto al plano de la abertura, y la relación que existe entre el área de la abertura de entrada y el área de la abertura de salida de la habitación.
Q = r v A sen q donde:
Q = Tasa de ventilación o cantidad de aire (m3/s)
r = relación entre abertura de entrada y salida (r = 0.60 x fr (factor de relación de aberturas)) v = velocidad del viento (m/s)
A = área de la abertura de entrada (m2)
q = ángulo que forma la dirección del viento y el plano de la abertura RELACIÓN DE VENTANA (fr)1
Área de salida / área de entrada fr
_________________________________________________________ 5:1 5 1.38 4:1 4 1.37 3:1 3 1.33 2:1 2 1.26 1:1 1 1.00 3:4 0.75 0.84 1:2 0.50 0.63 1:4 0.25 0.34 _________________________________________________________
De acuerdo con el autor, el factor de relación de aberturas (fr) se puede obtener a través de la siguiente ecuación:
fr = (Rv / (1 + Rv2)0.5) / seno 45° donde:
fr = Factor de relación de aberturas
Rv = As / Ae (Relación entre la ventana de salida y la de entrada) As = Área de la abertura de salida de aire (m2)
Ae = Área de la abertura de entrada de aire (m2)
Por lo que la relación de aberturas será:
r = 0.6 ((Rv / (1 + Rv2)0.5) / seno 45°)
El flujo de aire que pasa a través de una habitación o un edificio también se puede establecer en función de las diferencias de presión en los entre el lado de barlovento y sotavento de la construcción. La presión del viento en barlovento se puede estimar mediante :
pw = 0.612 v2 donde:
pw = Presión (Pa)
v = Velocidad del viento (m/s)
En el lado de barlovento del edificio se pueden presentar presiones entre 0.5 y 1 pw (la presión máxima, 1 pw, se presenta generalmente a 2/3 de la altura), mientras que en sotavento, la presión negativa estará entre -0.3 y -0.4 pw; ambas dependiendo del punto de ubicación en la fachada, de la dirección de viento y de los efectos aerodinámicos particulares de la edificación debidos a su forma. La tasa de ventilación se estima de la siguiente manera:
Q = 0.827 A (Dp)0.5 donde:
Q = Tasa de ventilación o cantidad de aire (m/s) A = Área de la abertura de ventilación (entrada) (m2)
Dp = Diferencia de presiones entre las dos aberturas de ventilación cruzada (Pa)
4. Divisiones dentro de la habitación.
El flujo de aire pierde gran parte de su energía cinética cada vez que es desviado alrededor o sobre un obstáculo. Varios recodos en ángulo recto tales como paredes o muebles dentro de una habitación pueden detener una corriente de aire de baja velocidad. Por ello debemos evitar poner muros que obstaculicen nuestro flujo d aire y procurar ponerlos en el sentido que lleva el viento.
5. Orientación de la ventana con respecto al viento.
Se genera la máxima presión del viento a barlovento de un edificio cuando la facha es normal (perpendicular) a la dirección del viento. Un viento que incide a 45° reducirá la presión en un 50%. Parece evidente que se consiga la mayor velocidad del aire en el interior si el viento entra en forma perpendicular a la fachada; sin embargo, B. Givoni encontró que si el viento incide a 45° aumentará la velocidad media del aire interior. Esto se puede explicar si sabemos que cuando un edificio se encuentra a 45° se crea una mayor velocidad a lo largo de las fachadas de barlovento. Por consiguiente la “sombra” del viento será más ancha, la presión negativa (efecto de succión) aumenta y el flujo del aire interior se ve incrementado.
2.3 Flujo de aire alrededor de los edificios
En un arreglo de unidades paralelas, el viento tiende a “brincar” sobre los edificios. Los edificios planeados en fila provocan una “sombra” de viento sobre las subsecuentes unidades, la cual es reforzada por la tendencia del viento a canalizarse a través de los espacios libres, sin pasar por las unidades posteriores.
Un arreglo de unidades escalonadas (damero) tiene la ventaja de que habrá fuertes patrones de viento desde las construcciones directas al flujo, hacia las subsecuentes unidades, por lo que el esquema de corrientes es mucho más uniforme, quedando casi eliminadas las zonas de aire estancado (fig. 5)
Sombra de viento o zona de turbulencia2.
Cuando el viento incide perpendicularmente sobre la cara de barlovento de un edificio de altura H, largo W, y ancho L, define un patrón del viento particular basado en las relaciones de la dimensión R :
R = BS 0.67 * BL 0.33 donde:
BS = dimensión menor entre H y W BL = dimensión mayor entre H y W cuando BL > 8 BS, BL = 8 BS
Las sombras de viento o de turbulencia quedan definidas de acuerdo a: Hc = 0.22 R
Xc = 0.50 R Lc = 0.90 R Lr = 1.00 R
La primera zona de turbulencia en la techumbre (Z1) queda definida por Hc y Lc. La segunda zona de alta turbulencia (Z2) se define a partir de Hc con una relación 1:10 (5.7°)
La tercera zona (Z3), de turbulencia generada por el edificio queda definida por: Z3 / R = 0.28 (X/R) 0.33
donde:
X es la distancia a partir del vértice del edificio donde se forma la turbulencia.
La capa límite de falta de afectación se da aproximadamente a 1.5 R, dependiendo de la pendiente de la techumbre.
,
2 ASHRAE Handbook 1993. Fundamentals. American Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc. Atlanta, USA. 1993. Airflow Around Buildings Chapter 14
2.4 Efecto de la vegetación en los vientos locales
La vegetación forma parte de la rugosidad y, por lo tanto, de la fricción superficial, la cual determina el flujo del viento cerca de la superficie.
Particularmente grandes áreas arboladas pueden tener un marcado efecto en el flujo del viento. Mediciones hechas en verano en densas áreas forestadas indican que 30 metros dentro de la arboleda la velocidad del viento puede ser reducida en un 20 a 40%; a 60 metros puede ser reducida en un 50% y a 120 metros puede reducirse hasta en un 93%. Desde luego hay muchas variables que intervienen, como son tipo y especie de árboles y matorrales que encontremos como barrera, densidad de los mismos, velocidad del viento, etc. Por ejemplo, en vientos de velocidades bajas, la forestación puede tener sólo pequeños efectos en la velocidad del viento; un viento a 1.8 m/s en un lugar abierto puede bajar su velocidad a 1.1 m/s al entrar a una zona boscosa a la misma altura. Pero un viento de gran velocidad en lugar abierto será detenido por la forestación en una mayor proporción; un viento de 8.9 m/s puede reducirse a 1.8 o 2.2 m/s.
2.5 Efecto de la vegetación en los edificios
Todos los elementos circundantes a un edificio, como los vegetales, definitivamente tienen un efecto en los patrones del flujo de aire y en la velocidad del viento.
A través del diseño de elementos vegetales, como plantas, árboles, arbustos, setos, etc., incluyendo cercas y bardas, podemos crear zonas alta o de baja presión alrededor de una casa y con respecto a sus aberturas podemos provocar corrientes de aire dentro del edificio. Este criterio es muy útil sobre todo en casas ya construidas que tienen una orientación desfavorable con respecto a los vientos locales predominantes.
Durante el período de sobrecalentamiento debemos diseñar la vegetación a fin de inducir el flujo de aire al interior del edificio, y principalmente sobre la zona habitable, creando movimientos directos y acelerados. Durante el período de bajo calentamiento podemos utilizar la vegetación como barrera contra el viento frío.
Los patrones del flujo de aire pueden variar considerablemente con el solo hecho de acercar o alejar un arbusto o un árbol de la abertura de entrada. La combinación de arbustos y árboles nos darán todavía más patrones de viento de los cuales podemos sacar ventaja para nuestros proyectos arquitectónicos y por lo tanto, esto se traducirá en términos del confort para los usuarios.
2.6 La Vegetación
La vegetación tiene otras muchas funciones además de canalizar, desviar y disminuir la velocidad del viento. La vegetación tiene la función vital de regeneración de oxígeno ya que durante el día, gracias a la acción clorofílica y de fotosíntesis, el gas carbónico se absorbe y el oxígeno se desprende.
Otra función de los vegetales es la humidificación del aire, ya que la vegetación despide vapor de agua a través de su follaje debido a la transpiración fisiológica. Este aumento de humedad en el ambiente traerá consecuentemente una disminución sensible de temperatura.
También podemos utilizar la vegetación como elemento “vivo” de control solar, obstruyendo la radiación en verano y dejándola pasar en invierno.
Podemos utilizarla también como filtro acústico y lumínico ya que a través de la vegetación podemos amortiguar ruidos y controlar la reflectividad evitando deslumbramientos.
Otra función importante, sobre todo en zonas urbanas, es el efecto de fijación de motas de polvo. Por todo lo anterior podemos darnos cuenta que la vegetación en la arquitectura solar bioclimática desempeña un papel fundamental.